Կալցիում: քիմիական միացություն

20 Կալիում ← Կալցիում → Սկանդիում 20Fe
Պարզ նյութի արտաքին տեսք
Չափավոր ծանր, արծաթասպիտակավուն մետաղ
Ատոմի հատկություններ
Անվանում, սիմվոլ, կարգաթիվ	Կալցիում /Calcium (Ca), Fe, 20
Ատոմային զանգված (մոլային զանգված)	40,078(4) զ. ա. մ. (գ/մոլ)
Էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիա	[Ar] 4s2
Ատոմի շառավիղ	197 պմ
Քիմիական հատկություններ
Կովալենտ շառավիղ	174 պմ
Իոնի շառավիղ	(+2e) 99 պմ
Էլեկտրաբացասականություն	1,00 (Պոլինգի սանդղակ)
Էլեկտրոդային պոտենցիալ	−2,76 В
Օքսիդացման աստիճաններ	2
Իոնացման էներգիա (առաջին էլեկտրոն)	589,4 (6,11) կՋ/մոլ (էՎ)
Պարզ նյութի թերմոդինամիկական հատկություններ
Հալման ջերմաստիճան	9,20 Կ
Եռման ջերմաստիճան	1757 Կ
Մոլային ծավալ	29,9 սմ³/մոլ
Պարզ նյութի բյուրեղային ցանց
Բյուրեղացանցի կառուցվածք	խորանարդ
Բյուրեղացանցի տվյալներ	5,580
Դեբայի ջերմաստիճան	230 Կ
CAS համար	CAS գրանցման համար?

Ունի 6 կայուն իզոտոպ՝ ⁴⁰Ca (96, 97 %), ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca և ⁴⁸Ca: Կալցիումի միացություններից կրաքարը, մարմարը, գիպսը, ինչպես նաև կրաքարի այրման վերջնանյութ կիրը դեռևս հնագույն ժամանակներում կիրառվել են որպես շինանյութ։

Քիմիական տարրի անվանումը ծագել է լատին․՝ calx բառից (սեռական հոլով calcis) - «կիր», «փափուկ քար»։ Տարրը հայտնաբերել է անգլիացի քիմիկոս Հումֆրի Դեյվը 1808 թվականին, կալցիումը մետաղական էլեկտրոլիզի ենթարկելով։

Մինչև 18-րդ դարը քիմիկոսները կիրը համարում էին պարզ նյութ։ 1789 թվականին Ա. Լավուազիեն հաստատեց, որ կիրը բարդ նյութ է, 1808 թվականին Հ. Դևին խոնավ հանգած կրի և սնդիկի օքսիդի խառնուրդը սնդիկի էլեկտրոդով էլեկտրոլիզի ենթարկելիս ստացավ կալցիումի ամալգամը, որից սնդիկը հեռացնելիս անջատեց մետաղ և անվանեց «կալցիում» (լատին․՝ calx, calcis - կիր)։

Կալցիումի միացություններն են՝ կիր, մարմար, գիպս, որոնք օգտագործում էին շինարարական աշխատանքներում, արդեն հազարավոր տարիներ։

Բնության մեջ զգալի քանակներով հանդիպում է կալցիումի ֆոսֆատը՝ Ca₂(PO₄)₂, որից ստանում են սպիտակ ֆոսֆոր, ֆոսֆորական թթու և ֆոսֆորական պարարտանյութեր։

Իզոտոպներ

Բնության մեջ հայտնի են կալցիումի 6 իզոտոպներ. ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca և ⁴⁸Ca, որոնցից առավել շատ տարածված է ⁴⁰Ca, կազմում է 96,97 %։ Կալցիումի միջուկը պարունակում է կախարդական թվով պրոտոններ {{{1}}}: 40
20Ca20
և 48
20Ca28
իզոտոպները բնության մեջ ունեն կախարդական ուժ։

Կալցիումը ստանում են էլեկտրոլիզի ենթարկելով քլորիդի հալույթը։ Վերջինս ջերմաստիճանը իջեցնելու նպատակով ավելացնում են CaF₂, ինչպես նաև ալյումինի և կալցիումի օքսիդի փոխազդեցությունից, 1170-1200 °C-ում։

${\displaystyle {\mathsf {4CaO+2Al\rightarrow CaAl_{2}O_{4}+3Ca}}}$ 

 

 

Կալցիումը սպիտակ արծաթափայլ, փափուկ մետաղ է։ Հայտնի է ալոտրոպիկ երկու ձևափոխությամբ։ α-ձևի խտությունը 1540 կգ/մ³ է (20 °C-ում)։ 464 °C-ից բարձր կայուն է β-ձևը, հալման ջերմաստիճանը՝ 851 °C: Բարձր մաքրության կալցիումը պլաստիկ է, լավ մամլվում է, գլոցվում և հեշտությամբ մշակվում կտրումով։

Քիմիապես շատ ակտիվ է, միացություններում՝ երկարժեք։ Սովորական ջերմաստիճանում կալցիումը հեշտությամբ փոխազդում է օդի թթվածնի և խոնավության հետ, դրա համար էլ այն պահում են փակ, հերմետիկ անոթներում կամ հանքային յուղի մեջ։

Օդում կամ թթվածնի միջավայրում տաքացնելիս կալցիումը բոցավառվում է՝ առաջացնելով հիմնական օքսիդը՝ CaO:

${\displaystyle {\mathsf {2Ca+O_{2}\rightarrow 2CaO,}}}$ 

Հայտնի են նաև կալցիումի գերօքսիդները՝ CaO₂ և CaC₄։ Սառը ջրի հետ կալցիումը սկզբում փոխազդում է արագ, հետո փոխազդեցությունը դանդաղում է՝ Ca(OH)₂ թաղանթի առաջացման պատճառով։

${\displaystyle {\mathsf {Ca+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+H_{2}\uparrow .}}}$ 

Եռանդուն փոխազդում է տաք ջրի և թթուների հետ՝ անջատելով ջրածին (բացի խիտ HNO₃-ից)։ Ֆտորի հետ փոխազդում է սառը պայմաններում, իսկ քլորի և բրոմի հետ՝ 400 °C-ից բարձր՝ առաջացնելով համապատասխանաբար կալցիումի ֆտորիդ (CaF₂), կալցիումի քլորիդ (CaCl₂) և կալցիումի բրոմիդ (CaBr₂)։

${\displaystyle {\mathsf {Ca+Br_{2}\rightarrow CaBr_{2}.}}}$ 

Ծծմբի հետ տաքացնելիս կալցիումը առաջացնում է սուլֆիդ՝ CaS, որը, միացնելով ծծումբ, տալիս է բազմասոււֆիդներ (CaS₂, CaS₄ և այլն)։ Չոր ջրածնի հետ փոխազդում է 300-400 °C-ում՝ առաջացնելով հիդրիդ՝ CaH₂։

${\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow CaH_{2},}}}$ 

500 °C-ում կալցիումը և ագուռը տալիս են Ca₃N₂ նիտրիդը։ Սառը պայմաններում ամոնիակի հետ կալցիումը առաջացնում է Ca[NH₃]₄ կոմպլեքս միացությունը։ Օդի բացակայությամբ տաքացնելիս ածխածնի, սիլիցիումի և ֆոսֆորի հետ կալցիումը առաջացնում է, համապատասխանաբար, կարբիդ (CaC₂), սիլիցիդներ (Ca₂Si, CaSi, CaSi₂) և ֆոսֆիդ (Ca₃P₂)։

${\displaystyle {\mathsf {Ca+6B\rightarrow CaB_{6},}}}$ 
${\displaystyle {\mathsf {3Ca+N_{2}\rightarrow Ca_{3}N_{2},}}}$ 
${\displaystyle {\mathsf {Ca+2C\rightarrow CaC_{2},}}}$ 
${\displaystyle {\mathsf {6Ca+P_{4}\rightarrow 2Ca_{3}P_{2}.}}}$ 
${\displaystyle {\mathsf {2Ca+Si\rightarrow Ca_{2}Si.}}}$ 

Միջմետաղական միացություններ է առաջացնում Al-ի, Ag-ի, Au-ի, Cu-ի և այլ մետաղների հետ։ Արտադրության մեջ կալցիումը ստացվում է երկու եղանակով.

• CaO-ի և փոշիացրած Al-ի խառնուրդը 1200 °C-ում, 0,01-0,02 մմ սնդ. ս. ճնշման տակ տաքացնելիս.

${\displaystyle {\mathsf {CaO+2Al\rightarrow 3CaO.Al_{2}O_{3}+3Ca}}}$ 

• CaCu-ի և KCl-ի հալույթը հեղուկ պղնձա-կալցիումական կաթոդով էլեկտրոլիզի ենթարկելիս ստանում են Cu-Ca (65% Ca) համաձուլվածքը, որից կալցիումը անջատում են՝ թորելով 950-1000 °C-ում, 0,01-0,001 մմ սնդ. ս. ճնշման տակ։ Մաքուր կալցիումը կիրառվում է Ս, Th, Cr, V, Zr, Cs, Rb և մի քանի հազվագյուտ հողային տարրեր իրենց միացություններից վերականգնելու, պողպատները, բրոնզը ն այլ համաձուլվածքներ թթվածնազրկելու, նավթամթերքներից ծծումբը հեռացնելու, օրգանական հեղուկները խոնավազրկելու, արգոնը ազոտի խառնուրդից մաքրելու, էլեկտրավակուումային սարքերում գազեր կլանելու համար։

${\displaystyle {\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+H_{2}\uparrow ,}}}$ 
${\displaystyle {\mathsf {Ca_{3}N_{2}+6H_{2}O\rightarrow 3Ca(OH)_{2}+2NH_{3}\uparrow }}}$ 

Կալցիումի համաձուլվածքները մեծ կիրառություն ունեն տեխնիկայում։

 

Կալցիումը կենսածին և կենսական պրոցեսների բնականոն ընթացքի համար անհրաժեշտ տարր է։ Գտնվում է կենդանիների և բույսերի բոլոր հյուսվածքներում։ Որոշ օրգանիզմներում Ca-ի պարունակությունը հասնում է 38 %-ի, մարդու օրգանիզմում՝ 1,4-2 %: Բույսերը Ca ստանում են հողից, կենդանիները՝ կերի և ջրի հետ։

Ca անհրաժեշտ է որոշ բջիջների կառուցվածքի ձևավորման, արտաքին բջջաթաղանթների բնականոն թափանցելիության պահպանման, ձկների և այլ կենդանիների ձվաբջիջների բեղմնավորման, մի քանի ֆերմենտների ակտիվացման համար։ Ca²⁺ իոններր գրգիռ են հաղորդում մկանաթելին՝ առաջացնելով կծկում, բարձրացնում լեյկոցիտների ֆագոցիտային ֆունկցիան, ակտիվացնում արյան պաշտպանական սպիտակուցների համակարգը, մասնակցում մակարդմանը։

Օրգանիզմում Ca-ի պարունակությունը կարգավորվում է հարվահանագեղձի և վահանագեղձի հորմոններով։ Ca օրգանիզմից արտաթորվում է գլխավորապես աղիքներով։ Ֆոսֆորա-կալցիումական նյութափոխանակությունը խախտվելու դեպքում մատղաշ կենդանիների և երեխաների օրգանիզմում զարգանում է ռախիտ, հասուն կենդանիների օրգանիզմում՝ կմախքի կառուցվածքի և բաղադրության փոփոխություն։ Բժշկության մեջ Ca-ի պատրաստուկները կիրառվում են ալերգիական, ճառագայթային, մաշկային, օրգանիզմում Ca²⁺ իոնների անբավարարությունից առաջացած փայտացման, սպազմոֆիլիայի, ռախիտի և այլ հիվանդությունների ժամանակ, ինչպես նաև որպես արյունահոսությունը դադարեցնող, սրտամկանի ֆունկցիան կարգավորող, միզամուղ միջոցներ։ Վիրաբուժության մեջ գործածվում է գիպսը (CaSC₄), ստամոքսահյութի բարձր թթվության դեպքում՝ կավիճը։

• Կալցիումի օքսիդ